Równoległe kompensatory aktywne

dużej mocy

Akademia MorskaWydział Elektryczny

Daniel Wojciechowski

Kraków, 19.06.2013

Agenda

Uwarunkowania aplikacyjne równoległych kompensatorów aktywnych (RKA)

Obwody główne RKA- model układu- obwód sprzęgający przekształtnik z siecią zasilającą- struktury obwodów RKA dużych mocy- metodyka doboru parametrów obwodowych

Sterowanie RKA- regulacja prądu, stabilność- metodyka wyznaczania prądu kompensującego- wpływ zmienności parametrów układu na jakość sterowania

Wdrożenia opracowanych systemów RKA dużej mocy

Podsumowanie

2Kraków, 19.06.2013

Motywacja do stosowania kompensatorów, w tym RKA

Przyczyny techniczne

niska jakość prądu zasilającego

niska jakość napięcia zasilającego zmniejszenie sprawności procesu dostarczania energii do odbiorcy

niepoprawna lub mniej efektywna praca odbiorów

nieprawidłowa praca układów zabezpieczeń

niepoprawne działanie elementów automatyki

zagrożenie rezonansem

Przyczyny ekonomiczne- wynikające z przyczyn technicznych- kary umowne

Wymagania i zalecenia formalne- Rozporządzenie Ministra Gospodarki w sprawie szczegółowych warunków

funkcjonowania systemu elektroenergetycznego (2007)- normy: PN-EN 50160, IEEE 519-1992, PN-EN 61000-3-2 (<16 A),

PN-EN 61000-3-12 (16–75 A), PN-EN 61000-2-2, PN-EN 61000-2-4

zagrożenie rezonansem

3Kraków, 19.06.2013

Możliwości kompensacyjne RKA

Ozn Rodzaj zadania kompensacyjnego RKA Podstawowe cele realizacji zadania

kompensacyjnego

1ako

mp

ensa

cja

prą

du

zas

ilają

cego

kompensacja mocy biernej

zmn

iejs

zen

ie s

trat

prz

esył

u e

ner

gii zwiększenie stopnia wykorzystania wydolności

energetycznej układu zasilania (poprawa współczynnika mocy)

1b kompensacja wyższych harmonicznych prądu zasilającego wraz z ich niesymetrią

zmniejszenie odkształceń harmonicznych napięcia

1c kompensacja niesymetrii podstawowej harmonicznej prądu zasilającego

symetryzacja napięcia

1d kompensacja prądu w przewodzie neutralnym

zmniejszenie odkształceń napięcia

kompensacja składowych zmniejszenie odkształceń napięcia, w tym

kom

pen

sacj

a p

rąd

u z

asila

jące

go

zmn

iejs

zen

ie s

trat

prz

esył

u e

ner

gii

1e kompensacja składowych interharmonicznych i podharmonicznychprądu zasilającego

zmniejszenie odkształceń napięcia, w tym odpowiedzialnych za migotanie światła

1f kompensacja składowych nieokresowych prądu zasilającego, z pominięciem udarów

zmniejszenie nieokresowych odkształceń napięcia

1g kompensacja udarów prądu łagodzenie zapadów napięcia; wyrównanie przebiegu chwilowej mocy obciążenia

2 regulacja napięcia zasilającego regulacja profilu napięcia zasilającego

3 tłumienie rezonansów występujących w sieci zasilającej

stabilizacja układu zasilania, zmniejszenie odkształceń napięcia

4Kraków, 19.06.2013

K 0i =

Li LiPCCe e=

Oddziaływanie RKA na sieć zasilającą wokół PCC

Układ zasilania bez RKA

5Kraków, 19.06.2013

Ki

L Li eγ δ+ ⋅( )L L Ki e iγ δ+ ⋅ − PCCe e eδ= +

Oddziaływanie RKA na sieć zasilającą wokół PCC

Układ zasilania z RKA

Lδiγ =

Podatność napięciowaodbiorów

LnI ∆Γ =

Maksymalna zmiana napięcia

ffeEE∆ =

Efekty pracy RKA- zmiana prądu zasilającego- zmiana napięcia w pobliżu PCC- zmiana prądu odbiorów przyłączonych w pobliżu PCC

LL

δ

δ

i

eγ =

6

L

PCC,

nn

n

I

E

∆Γ = ∆

ffPCC,

zw,

en

n

EE

k∆ =

Kraków, 19.06.2013

Podatność napięciowa odbiorów

SLeLi ACL

DCL

R

SnX

nE

LnIPCC,nE

0nΓ =Odbiór o char. prądowym

7

SLeLi ACL

RC

SnX

nE

1 ACj

nU

n LωPCC,nE

AC,nX

LnI

AC,

1n

nXΓ =

Odbiór o char. napięciowym

Kraków, 19.06.2013

PCC,1 1 S1 L1

PCC,

j

1n n

E E X I

E E n

= − = ⇐ >

SnXPCC,nE

Odbiór o char. prądowym Odbiór o char. napięciowym

Wpływ RKA na napięcie EPCC

K1

K L

0

1n n

I

I I n

= = ⇐ >

SnXPCC,nE LnI

Efekty pracy RKA – zmiana prądu odbiorów

nE

LnIKnI

L1

L1

L S S

L AC, AC

0

1n n

n n

I

I

I X Ln

I X L

∆ =∆ = = ⇐ >

L1

L1

L

L

0

0n

n

I

I

I

I

∆ =∆ =

nE

1 ACj

nU

n LωAC,nXKnI

8Kraków, 19.06.2013

Warunki pracy i wymagania wobec RKA

Warunki pracy RKA zależą od:

- podatności napięciowej odbiorów w pobliżu PCC(w tym kompensowanych)

- zmienności prądu (mocy) kompensowanych odbiorów

- jakości napięcia w PCC

- względnej mocy zwarciowej w PCC określonej zarówno ze względuna moc kompensowanych odbiorów jak i moc RKA

Ki

LiSi PCCe

9

Ki

LiSi PCCe Wymagania wobec RKA:

- odporność na złe warunki pracyi ich zmiany

- brak negatywnego oddziaływania na sieć (brak tętnień prądu RKA)

- wysoka dynamika i dokładność kształtowania prądu

Kraków, 19.06.2013

Agenda

Uwarunkowania aplikacyjne równoległych kompensatorów aktywnych (RKA)

Obwody główne RKA- model układu- obwód sprzęgający przekształtnik z siecią zasilającą- struktury obwodów RKA dużych mocy- metodyka doboru parametrów obwodowych

Sterowanie RKA- regulacja prądu, stabilność- metodyka wyznaczania prądu kompensującego- wpływ zmienności parametrów układu na jakość sterowania

Wdrożenia opracowanych systemów RKA dużej mocy

Podsumowanie

10Kraków, 19.06.2013

Model obwodów głównych RKA

SLeSiSR

Odbiory

Li

2L

PCCe

2 Ki i=Sieć zasilająca

ęgają

cy

cNi NC cNR

2NL

2 KN Ni i=

LNiSNiSNL SNR

,= + = +x Ax Bu y Cx Dur r r r r r&

1

2PCC

c

c 1 c 1 1

c 2 c 2 2

,

1

1

R L R L L

R L R L L

= = =

− − = −

iu

x y i ue

u

A

r r r

1L

C

1i

Obw

ód s

prz

ę

VSI

DCu

ci

u

1NL

1Ni

cRcu

DCC

c 2 c 2 2

1

2

1

1 1 0

1 0

0 1 , ,

0 0

R L R L L

C C

L

L

= − −

= − = =

A

B C DI 0

11

1 2r,LCL

1 2

1

2π

L Lf

L L C

+=α

β

0

Kraków, 19.06.2013

Obwód sprzęgający – wymagania, struktury

Podstawowe wymagania wynikają z konieczności:

- zapewnienia wysokiej dynamiki prądu kompensującego

- ograniczenia wysokoczęstotliwościowych tętnień prądu

Obwód Schemat ideowy Transmitancja operatorowa Gu→i2(s)

L Li

PCCeu

1

Ls

1L 1i 2i PCCeu eSL a) S1

0LL s⇐ =

12

LC

1L

Cci

cu

1i 2i PCCeu eSL

a) S1

0LL s⇐ =

b) ( ) S3

1 S 1 S

10L

L L C s L L s⇐ >

+ +

LCL

2L1L

Cci

cu

1i 2i PCCeu

( )31 2 1 2

1

L L C s L L s+ +

LCL+R

2L1L

Cci

cu

cR

1i 2i PCCeu

( ) ( )c

3 21 2 1 2 c 1 2

1CR s

L L C s L L CR s L L s

+

+ + + +

Kraków, 19.06.2013

Obwód sprzęgający – porównanie struktur LCL i L

-60

-40

-20

0

20

40

Am

plit

ud

a (

dB

)

-225

-180

-135

-90F

aza (

de

g)

r,LCLf impf

13

( )21 2 1 2 1 2

0' limL L L L L C L Lω

ω→

= + − = +

2 2imp 1 2 1 2" 4πL f L L C L L= − −

2imp

21 2 r,LCLSTATCOM

"1

'

fL L

L L L f= = −+

imp

r,LCL 1 2 STATCOM

3 8f L

f L L> ⇒ >

+

102

103

104

-270

-225Faza (

de

g)

Częstotliwość (Hz)

Kraków, 19.06.2013

-60

-40

-20

0

20

40A

mlit

uda

(dB

)

-270

-225

-180

-135

-90

Faza (

de

g)

impf

zw,1 10k =50

100500

Obwód sprzęgający – porównanie struktur LCL i LC

-60

-40

-20

0

20

40

Am

plit

ud

a (

dB

)

-270

-225

-180

-135

-90

Faza (

de

g)

zw,1 10k =

impf

50100500

LCL

LC

r kHzf

zw,1 j.w.k

102

103

104

Częstotliwość (Hz)

14

102

103

104

Częstotliwość (Hz)

Kraków, 19.06.2013

Obwód sprzęgający – porównanie struktur LCL i LCL+R

-60

-40

-20

0

20

40

Am

lituda

(dB

)

-225

-180

-135

-90F

aza (

de

g)

impf

c 0R = Ωc 0,05R = Ωc 0,1R = Ωc 0,2R = Ω

15

– dla sterowania z regulatorem prądu PIcimp

1

2πR

f C≈

⋅

102

103

104

-270

-225Faza (

de

g)

Częstotliwość (Hz)

Kraków, 19.06.2013

Uwarunkowania dla obwodów RKA dużej mocy

Minimalna częstotliwość rezonansowa LCL: fr,LCL = 2 kHz

stabilność układu regulacji

Minimalna częstotliwość impulsowania VSI: fimp = 8 kHz

straty łączeniowe półprzewodników falownika

16

Maksymalna moc RKA z pojedynczym, dwupoziomowym VSI: SRKA,max ≈ 300 kVA

możliwe rozwiązania

System RKA z wieloma falownikami pracującymi równolegle

System RKA z falownikiem (falownikami) wielopoziomowymi

Kraków, 19.06.2013

i

21i 11i

i

1C

21L 11L

L L

c1uKi

DC,1C

DC,1u

Obwody RKA dużej mocy – niezależne obwody LCL

1−22i 12i

2C

22L 12Lc2u

DC,2C

DC,2u

17

( )1

11,zast 1m

m

L L

−−

= ∑

( )1

12,zast 2m

m

L L

−−

= ∑

zast m

m

C C=∑

Kraków, 19.06.2013

2i 11i

i

1C

2L

11L

L

cu

Ki

DC,1C

DC,1u

i

Obwody RKA dużej mocy – zintegrowany obwód LCL (A)

( )1

11,zast 1m

m

L L

−−

= ∑

( )1

12 2m

m

L L

−−

= ∑

zast m

m

C C=∑

12i

2C

12Lcu

DC,2C

DC,2u

2i

2 rozproszeniaL L=

18Kraków, 19.06.2013

11i

i

2L

11L

L

cuKi

DC,1C

DC,1u

System RKA

Obwody RKA dużej mocy – zintegrowany obwód LCL (B)

m

m

C C=∑

( )1

12 2m

m

L L

−−

= ∑

( )1

11,zast 1m

m

L L

−−

= ∑

12i

C

12L

DC,2C

DC,2u

2 rozproszeniaL L=

19Kraków, 19.06.2013

2LcuKi

DC,1C

DC,1u11i11L

11,Ni11,NL

System RKA

Obwody RKA dużej mocy – układ czteroprzewodowy (B)

m

m

C C=∑

( )1

12 2m

m

L L

−−

= ∑

( )1

11,zast 1m

m

L L

−−

= ∑

12i12L

DC,2C

DC,2u

C2NLK,Ni

12,NL12,Ni

NC

20

1 12

3NL L=

2 22

3NL L=

3

2NC C=

Kraków, 19.06.2013

Obwody RKA dużej mocy – odłączanie modułów

1LC

2L

1L

C2L

21

r,LCL j.w.f

k m j.w.

RKA RKA,Nk

mS S=

Odłączanie L1 i C

Odłączanie tylko L1

Kraków, 19.06.2013

Dobór parametrów obwodowych

Parametry obwodowe RKA warunkują:- dynamikę graniczną prądu kompensującego i2- zawartość tętnień w prądzie kompensującym i2

- zawartość tętnień w prądzie i1- składową bierną prądu i1 przeładowującą kondensator C

- koszt, masę i gabaryty układu

22

1L2L

Cue

1i2i

ci

cu

Właściwości źródła napięcia u:

- charakter impulsowy (fimp)

- ograniczenie:

DC DC2 2

3 3u u u− < <

Kraków, 19.06.2013

Dobór parametrów – składowa bierna i1; dynamika i2

1L2L

Cu

1i2i

ci

cu

e− e−

( ) ( )1,Q e e ed

sin cosd

i C E t CE tt

ω ω ω= =

( )2L1,Q 1 1,Q e 1 e

dsin

du L i L CE t

tω ω= = −

1

L1,Q 2 ee 1

r,L C

UL C

E

ωω

ω= =

1e r,L Cω ω=

23

1L2L

Cu

1i2i

ci

cu

e−

pominięcie składowej biernej prądu i1

( )2

r

1 2 r 1 2

sin( )

( )u i

t th t

L L L L

ωω→ = −

+ +

( )2

r 1 2

1 2π

2u i

tT h t

L Lω →> ⇒ ≈+

Kraków, 19.06.2013

Dobór parametrów – dynamika graniczna prądu i2

2d

d

i

t

2

gr,max

d

d

i

t

2d

d

i

t

2

max

d

d

i

t

etωππ 2 3π 2 2π

2

min

d

d

i

t

di

2

min

d

d

i

t−

zad2 K 2

gr,min gr,max

d d d

d d d

i i i

t t t< <

24

gr,mindt2

max

d

d

i

t−

( )

( )

2DC e

1 2gr,max

2DC e

1 2gr,min

d 1 2sin

d 3

d 1 2sin

d 3

iu E t

t L L

iu E t

t L L

ω

ω

= − +

= − − +

2DC

1 2max

2DC

1 2min

d 1 2

d 3

d 1 2

d 3

iu E

t L L

iu E

t L L

= + +

= − +

Dynamika i2 zależy od uDC oraz od L1+L2

Niezbędne są dodatkowe uwarunkowania:

Zawartość tętnień w prądzie i2

Kraków, 19.06.2013

Dobór parametrów – dynamika graniczna prądu i2

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

2

min

d

d

A μs

i

t

120

140

160

180

200

1 2

μH

μF

L L

C

+

2

min

d

d

i

t1 2L L+

C

25

( )DC

2,tętn,p-p 3imp 1 2 imp 1 2

2 1const

3 K 1

uI

L L C L Lω ω= =

− − + +

1

2

constL

L=

0,4600 700 800

DC Vu100

r,LCL constf =

Dobór uDC jest nadrzędny względem L1+L2

Kraków, 19.06.2013

Dobór parametrów – wartość ilorazu ρ = L1/L2

μF

C

1,t

ętn,p

-pA

I

1 2 j.w.L Lρ =

1,tętn,p-pI

C

( )

wzgl1,tętn,p-p

2wzgl

1 1

2 2

1

4

I

C

ρ

ρρ

= +

+ = ⋅

( ) ( )wzgl wzgl1,tętn,p-p

d d

d dI C

ρ ρ−Λ ⋅ =

26

1 2 j.w.L Lρ =

( )1,tętn,p-p AI ρ

()

μF

Cρ

d0 1

d

Cρ

ρ= ⇔ =

( ) ( )1,tętn,p-pd dρ ρ

( ) ( )1...2 1,7...2,2ρΛ = ⇒ =

2 1ρ = Λ +

Kraków, 19.06.2013

Agenda

Uwarunkowania aplikacyjne równoległych kompensatorów aktywnych (RKA)

Obwody główne RKA- model układu- obwód sprzęgający przekształtnik z siecią zasilającą- struktury obwodów RKA dużych mocy- metodyka doboru parametrów obwodowych

Sterowanie RKA- regulacja prądu, stabilność- metodyka wyznaczania prądu kompensującego- wpływ zmienności parametrów układu na jakość sterowania

Wdrożenia opracowanych systemów RKA dużej mocy

Podsumowanie

27Kraków, 19.06.2013

Metody kompensacji realizowanej przez RKA

Kompensacja w układzie otwartym

Ki

LiSi PCCe

Li

28

Ki

LiSi PCCe

SP

CC

lub

i

eKompensacja w układzie zamkniętym

Kraków, 19.06.2013

DCCDCu

zadΗzad

Kizadu

zadp

i

1%e %e

zadDCu

Struktura układu sterowania RKA; organizacja czasowa

PCCe

L,1iKi

L,2i

L,miSi

PCCe

29

samplT

( )zad ku

samplT samplT

( )zadK 1k +i ( )zad

K 2k +i

e samplε 2πn f Tα = ⋅ ⋅

błąd fazowy

Kraków, 19.06.2013

Regulacja prądu - wymagania

Wymagania wobec regulatora prądu RKA:

- wysoka dynamika regulacji

- wysoka dokładność regulacji w granicach dysponowanej dynamiki

- kompensacja opóźnienia pomiędzy sprzężeniami i sterowaniem

- predykcja o horyzoncie 3 kroków próbkowania Tsampl, wynikającaz rzędu obwodu sprzęgającego LCL

- blokowanie rezonansu obwodu sprzęgającego LCL

30

- blokowanie rezonansu obwodu sprzęgającego LCL

- poprawna praca w warunkach niskiej jakości napięcia zasilającego

- możliwość regulacji nieokresowego prądu zadanego

- zdolność ograniczania maksymalnej wartości prądu

- odporność na błędy identyfikacji parametrów modelu obiektu

- możliwość współpracy z RKA przeznaczonym zarówno dla sieciz trzema jak i czterema przewodami roboczymi

Kraków, 19.06.2013

Regulator predykcyjny oparty na modelu obiektu

( ) ( ) ( ) ( )1 2c sampl c

1 1ˆ 1 2

k kk T k

C

− − −− = + −

i iu u

( ) ( ) ( ) ( )zad,lim

c1 sampl 1

1

ˆ1 1ˆ 1k k

k T kL

− − −= + −

u ui i

( ) ( ) ( ) ( )c PCC2 sampl 2

2

ˆ 1 1ˆ 1k k

k T kL

− − −= + −

u ei i

%

( ) ( ) ( ) ( )1 2c sampl c

ˆ ˆˆ ˆ 1

k kk T k

C

−= + −

i iu u

Predykcja

31

( ) ( )c sampl cˆ ˆ 1k T kC

= + −u u

( ) ( ) ( ) ( )zad zad2 2

c 2 PCCsampl

2 11 1

k kk L k

T

+ − ++ = + +

i iu e)

%

( ) ( ) ( ) ( )c c zad1 2

sampl

ˆ11 1

k kk C k

T

+ −+ = + +

u ui i

))

( ) ( ) ( ) ( )lim

1 1zad1 c

sampl

ˆ1 ˆ ,k k

k L kT

+ −= +

)i i

u u

Równania

główne

Kraków, 19.06.2013

Regulator predykcyjny – predykcja napięcia sieci

( )2k − ( )1k +

0z 1lz− + 2lz− + 3lz− + 4lz− +1z−5lz− + 6lz− +

( )1k −1. Bufor cykliczny

2. DFT z predykcją

ϕ

32

PLL

GEN LPFn 1,e-j

enϕ PCC,nE

1,eϕ

eϕ

1,enϕ

( )PCC 2e k −%

,e,predje nϕ∆

( )PCC 2,ne k r− +%

,e,pred 1,en n rϕ ϕ∆ = ⋅ ⋅ ∆

Kraków, 19.06.2013

Regulator predykcyjny – odpowiedź skokowa, właściwości

()(

)za

d2

21

,1

Ai

kik

+−

()

2A

it

u nieograniczone u ograniczone

0K

-0.5K

-1K

0.5K

1K

0K

-0.5K

0.5K

1K

()(

)2

21

,1

Azad

ik

ik

+−

()

2A

it

()(

)2

21

,1

Azad

ik

ik

+−

()

2A

it

33

Regulator predykcyjny wyróżnia (odniesieniu do deadbeat):- uwzględnienie ograniczeń zarówno sterowania, jak i dowolnych

zmiennych stanu obiektu

- bezpośrednie odprzężenie od zakłócenia (napięcia ePCC)

- uwzględnienie predykcji zadanego prądu kompensującego RKA(dokładna regulacja prądu w granicach osiągalnej dynamiki)

mst5.0 5.4 5.8

0.5K

-1K

mst mst

it

Kraków, 19.06.2013

Regulator predykcyjny – dokładność regulacji

Ae

1,Ai 1,Bi 1,Ci

1,Ni Ae

K,Ai K,Bi K,Ci

K,Ni

eTHD 2,05 %=

K,THD 0,94 %

Ai =

RKA czterogałęziowy – generowanie mocy biernej

34Kraków, 19.06.2013

Stabilność – linie pierwiastkowe

Im z

1a

1b2b 3a1c

3b

4

2c

Im z

1a 2a

1b

3

4

L1=70 μH, L2=35 μH, C=200 μF (fr,LCL=2,33 kHz)

35

Re z

2a

3b

5

2c

Re z

2b

5

fimp = var (fimp = fsampl / 2)

Zakres stab.: 3,45 – 3,87; >7 kHz

L1,zadane / L1,dokładne = var

Zakres stabilności: 89% – 137%

Kraków, 19.06.2013

Im z4

1a

1b2b3a

2c

Im z

4

3a

1a

1b2b

2c

Stabilność – linie pierwiastkowe

L1=70 μH, L2=35 μH, C=200 μF (fr,LCL=2,33 kHz)

Re z

5

2a3b

Re z

52a3b

36

Czadane / Cdokładne = var

Zakres stabilności: 76% – 285%

L2,zadane / L2,dokładne = var

Zakres stabilności: >70%

Kraków, 19.06.2013

Strategie pełnej kompensacji:

- stała wartość mocy chwilowej p przy q = 0

- równokształtność prądu i napięcia (λ=1)

- równokształtność ze składową zgodną podstawowej harmonicznejnapięcia

Wyznaczanie prądu zadanego

Zadania algorytmu:

- wyodrębnianie kompensowanych składowych prądu odbiorów

37

- wyodrębnianie kompensowanych składowych prądu odbiorów

- realizacja ograniczeń z uwzględnieniem priorytetów kompensacji

- predykcja zgodnie z wymaganiami regulatora prądu

Wymagania:

- wysoka dokładność

- szybka odpowiedź na zmianę prądu kompensowanych odbiorów

- praca niezależna od jakości napięcia zasilającego

Kraków, 19.06.2013

Wyznaczanie składowych prądu kompensującego

Li 1,PCCe

e,-1p e,-1q e1p e1q

e,-1p e,-1q e1qe1p

38

e1q%e1p%

K,Qi K,-1i K,Ni K,Di K,Hi

Kraków, 19.06.2013

Wyznaczanie prądu – predykcja, stan ustalony

Ae

L,Ai L,Bi L,Ci L,Ni THD 2,3 %e =

L,THD 44,1%

Ai =

bez predykcji z predykcją

39

Ae

S,Ai S,Bi ,S Ci S,Ni THD 1,91 %e =

S,THD 13,7 %

Ai= Ae

S,Ai S,Bi S,Ci S,Ni THD 1,69 %e =

S,THD 2,52 %

Ai=

Kraków, 19.06.2013

1,0E-04

1,5E-04

2,0E-04

2,5E-04

3,0E-04

3,5E-04

4%

6%

8%

10%

12%

14%

STHD %i AC HL

AC

THDi bez predykcji

z predykcją

Wyznaczanie prądu – predykcja, stan ustalony

40

0,0E+00

5,0E-05

1,0E-04

0%

2%

4%

1,5 2,50,5 3,5

Ld A,max

d μs

i

t

ACTHDi z predykcją

Kraków, 19.06.2013

Wyznaczanie prądu – predykcja, stan przejściowy

41

bez predykcji z predykcją

Kraków, 19.06.2013

Wpływ zmienności parametrów na jakość sterowania

8%

10%

12%

14%

16%

STHD

%

i

15

20

25

0%

1%

2%

3%

4%

0% 5% 10% 15%THD %e

STHD %i S, ,eff ANI

parametry obwodu LCLjakość napięcia

0%

2%

4%

6%

8%

85% 90% 95% 100% 105% 110% 115%

1 1,dokł 2 2,dokł dokł, , %L L L L C C

1 varL =

varC =

2 varL =

16

18

20

22

1,6%

1,8%

2,0%

2,2%

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

STHD %i

zw,1 j.w.k

S, ,eff ANI

S, ,effNI

STHDi

THD %e

moc zwarciowa

42Kraków, 19.06.2013

Sterowanie systemem RKA ze zintegrowanym obw. LCL

0K

-1K

1K

0

-500

-1000

500

1000

L

A

i

11

A

i

1L

C2L

-60

-40

-20

0

20

40

Am

plit

ud

a (

dB

)

102

103

104

-270

-225

-180

-135

-90

-45

0

Fa

za (

de

g)

Częstotliwość (Hz)

cu u→

impf2u i→

0

-500

-1000

500

1000

0.6 0.62 0.64 0.66 0.68

Time (s)

0K

-1K

-2K

1K

2K

S

A

i

mst

12

A

i

43Kraków, 19.06.2013

Agenda

Uwarunkowania aplikacyjne równoległych kompensatorów aktywnych (RKA)

Obwody główne RKA- model układu- obwód sprzęgający przekształtnik z siecią zasilającą- struktury obwodów RKA dużych mocy- metodyka doboru parametrów obwodowych

Sterowanie RKA- regulacja prądu, stabilność- metodyka wyznaczania prądu kompensującego- wpływ zmienności parametrów układu na jakość sterowania

Wdrożenia opracowanych systemów RKA dużej mocy

Podsumowanie

44Kraków, 19.06.2013

KWK Bogdanka – system RKA o mocy 1,2 MVA

Szw

=100,4

–174,5

MV

A

Szw

=98,3

–168,0

MV

A

Parametr Wartość / cecha Jednostka

Moc znamionowa systemu 1,2 (4 moduły x 0,3) MVA

Napięcie zasilające 3 x 400 V

Napięcie po stronie DC 1100 V

Obwody sprzęgające LCL, niezależne -

45Kraków, 19.06.2013

KWK Bogdanka – system RKA o mocy 1,2 MVA

Zespół modułów mocy 2x300 kVAsystemu RKA

Maszyna wyciągowa 2,4 MW(zasilana prostownikami

tyrystorowymi o mocy 4 MVA)

46Kraków, 19.06.2013

KWK Bogdanka – pomiar w punkcie A (sieć nn)

1kA dz.

500 V dz.

4kA dz.

PCCe

K,RKA1i

TSCi

Li 4kA dz.

Si4kA dz.

1kA dz.

500 V dz.

4kA dz.

4kA dz.

4kA dz.

PCCe

K,RKA1i

TSCi

Li

Si

Bez kompensacji Kompensacjaz predykcją

(bez harm. 5 i 7)1kA dz.

500 V dz.

4kA dz.

PCCe

K,RKA1i

TSCi

Li 4kA dz.

Si 4kA dz.

Kompensacjabez predykcji

(bez harm. 5 i 7)

47Kraków, 19.06.2013

KWK Bogdanka – pomiar w punkcie B (sieć SN)

Si STHD 10,1%i = Si

STHD 5,0%i =

Bez kompensacji Z kompensacją

48Kraków, 19.06.2013

KWK Ziemowit – system RKA o mocy 2 MVA

49Kraków, 19.06.2013

KWK Ziemowit – system RKA o mocy 2 MVA

Parametr Wartość / cecha Jednostka

Moc znamionowa systemu 2 (2 moduły x 1) MVA

Napięcie zasilające 3 x 6300 V

Napięcie po stronie DC 1800 V

Obwód sprzęgający LCL, zintegrowany -

System RKA (2 falowniki NPC) Jedna z maszyn (łączna moc 14 MW)

50Kraków, 19.06.2013

KWK Ziemowit – pomiar w punkcie A (sieć SN)

09:17:00 09:18:40

0

200

400

600

A-B VTHDRss

0

200

400

600

B-C VTHDRss

0

200

400

600

C-A VTHDRss

09:17:52,735

2009-10-23Friday

09:17:52,745 09:17:52,755

-10000

-5000

0

5000

10000

390.768 µs

PCC V THD 7,2 %ee = PCC,eff THD VeE ⋅

h:m:st h:m:st

Bez kompensacji

2011-07-12Tuesday

10:58:15 10:59:30

0

200

400

A-B VTHDRss

0

200

400

B-C VTHDRss

0

200

400

C-A VTHDRss

10:59:15,900 10:59:15,910 10:59:15,920

-10000

-7500

-5000

-2500

0

2500

5000

7500

10000

A-B V B-C V C-A V

156.164 µs

PCC V THD 2,6 %ee =

h:m:st

PCC,eff THD VeE ⋅

h:m:st

Z kompensacją

51Kraków, 19.06.2013

KWK Ziemowit – pomiar w punkcie A (sieć SN)

09:17:52,735 09:17:52,745 09:17:52,755

-1000

-500

0

500

1000

2009-10-23FridayS A THD 11,0 %ii =

09:17:00 09:18:40

0

0.5

1.0

A Irms (max/min/val)

0

0.5

1.0

B Irms (max/min/val)

0

0.5

1.0

C Irms (max/min/val)

S,eff kAI

h:m:st h:m:st

Bez kompensacji

S A THD 3,8 %ii = S,eff AI

h:m:st h:m:st

Z kompensacją

52Kraków, 19.06.2013

KWK Ziemowit – wskaźniki jakości energii elektrycznej

Parametr Przed modernizacją Po modernizacji

Moc czynna Min -2696 kW; Max 14600 kWŚrednia 4270kW

Min -3609 kW; Max 16519 kWŚrednia 2639 kW

Moc bierna Min -3609 kVar; Max 13406 kVarŚrednia 5700 kVar

Min -121 kVar; Max 9449 kVarŚrednia 849 kVar

THDe Max 14,3 %; Średni 7,6 % Max ≤ 6 %; Średni 2,5 %

Tg(φ) Średni 1,33 Max 0,4; Średni 0,321

Zapady napięcia 11,9 % 7,5 %

Wahania napięcia 14,3 % 7,5 %

Załamania komutacyjne

42 % 23 %

53Kraków, 19.06.2013

Podsumowanie

Właściwości funkcjonalne RKA są uwarunkowane zarówno strukturą i parametrami obwodów głównych jaki sterowaniem

Specyfika pracy RKA wymusza stosowanie obwodu sprzęgającego LCL

Systemy RKA dużej mocy oparte są na wielu falownikach pracujących równolegle – celowe jest zastosowanie

54

pracujących równolegle – celowe jest zastosowanie zintegrowanego obwodu sprzęgającego LCL

Blokami układu sterowania warunkującymi skuteczność kompensacji są regulator prądu i algorytm wyznaczania tego prądu

Jakość kompensacji jest uzależniona od zastosowania algorytmów predykcyjnych

Kraków, 19.06.2013

dr inż.dr inż. Daniel Daniel WojciechowskiWojciechowskidwojc@am.gdynia.pdwojc@am.gdynia.pll

Dziękuję za uwagę

Kraków, 19.06.2013